氫是宇宙中最豐富的元素，但氫在地球上主要存在于水等化合物中。氫氣也是地球上最清潔的能源之一，因為它燃燒最終只產(chǎn)生水。

氫具有能量密度高、容量大等特點，成為新能源大規(guī)模開發(fā)儲存、利用的優(yōu)選方案之一。

目前，制取氫氣較為普遍的方法是電解水制氫。在充滿電解液的電解槽中通入直流電，水分子在電極上發(fā)生電化學反應，分解成氫氣和氧氣。但電解槽的部署在地理上受到淡水可用性的限制。

淡水是一種稀缺資源，超過三分之一的地球陸地表面處于干旱或半干旱狀態(tài)，支撐著世界 20% 的人口，那里的淡水極其難以維持日常生活，更不用說電解了。同時，污染、工業(yè)消耗和全球變暖加劇了水資源短缺。海水淡化可用于促進沿海地區(qū)的水電解，但大大增加了制氫的成本和復雜性。

近日，來自中國和澳大利大的研究人員使用吸濕性電解質吸收空氣中的水分，然后利用來自太陽或風的能量為電解提供動力。該研究結果發(fā)表在《自然通訊》雜志上。

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電解空氣中冷凝水蒸氣

科學家們制備了一種名為直接空氣電解 (DAE) 模塊，可以在相對濕度為 4% 的極干燥環(huán)境下工作，克服供水問題，可持續(xù)生產(chǎn)綠色氫氣，并且對環(huán)境的影響最小。

這種模塊對于世界上純凈飲用水稀缺或很難獲得的地區(qū)至關重要。

該模塊由中間的集水單元和兩側的電極與氣體收集器組成。該模塊由可再生能源提供電力，例如太陽能電池板、風力渦輪機和任何其他可再生發(fā)電機。

重要的是，集水單元還用作儲存電解質的容器。將三聚氰胺海綿、燒結玻璃泡沫等多孔介質浸入具有潮解性的離子物質結合，通過暴露的表面吸收空氣中的水分。

捕獲的水通過擴散轉移到電極表面（兩個電極都與空氣隔絕），隨后分裂成氫氣和氧氣，將作為純氣體單獨收集。兩端板和多孔泡沫之間的儲存器也可以在空氣濕度過度波動的情況下充當空氣屏障和離子溶液體積的緩沖劑。

多孔介質還確保電解質在泡沫毛細管中的自由運動，充滿離子溶液的泡沫形成物理屏障，可有效地將氫氣、氧氣和空氣與任何混合隔離開來。

來源：[1]

與水具有強親和力的吸濕性物質在暴露時傾向于從大氣中提取水分，吸收足夠的水以形成具有吸濕性的水溶液。研究員證實硫酸為最好的吸濕材料之一，它可以從相對濕度5%或以下的空氣中吸收水分，同時硫酸溶液的電導率高，不易揮發(fā)，對環(huán)境無毒。

在連續(xù)電解過程中發(fā)現(xiàn)DAE模塊是穩(wěn)定的。研究表示，在特定電壓（2.4、2.7、3.0 V）下收集的相應電流密度在12天的連續(xù)運行中，法拉第效率穩(wěn)定在 95%，能夠達到穩(wěn)定狀態(tài)。該結果表明DAE模塊在不同空氣相對濕度、電池電壓和電解質濃度下具有出色的適應性和長期穩(wěn)定性。它們的電流密度為每平方厘米574毫安。 

2

戶外測試依然穩(wěn)定

科學家設計并建造了一個獨立的制氫塔，在炎熱干燥夏季（地中海氣候）的露天進行了兩天，每天 8 小時的測試。

它由五個平行堆疊的DAE模塊組成，垂直疊加一個太陽能電池板進行供電。這種設計的優(yōu)點之一是塔的占地面積不超過太陽能電池板，這意味著DAE不會占用額外的土地。

在測試期間，室外溫度在 20°C 到 40°C 之間變化，相對濕度在20%到40%之間。

圖說：直接空氣電解模塊測試原型

來源：[1]

綜合來看，在非理想天氣條件下，總產(chǎn)氫量仍能達到1188毫升。

并且，這種DAE模塊的能源供應不僅限于太陽能，還能將 DAE 模塊與風機耦合，并成功地從空氣進料中生產(chǎn)出高純度氫氣。

研究人員表示，這種DAE可能是第一個超過美國能源部 (DOE) 設定的20%太陽能制氫 (STH) 能源效率目標的技術。

3

應用范圍廣闊

目前這項技術僅在實驗研發(fā)階段，還未商業(yè)化。不過研究人員表示，DAE 模塊可以輕松擴展以向偏遠、（半）干旱和分散的地區(qū)提供氫氣。

電解空氣中冷凝水蒸氣技術顯示出巨大的潛力，并且與其他能源相比有許多優(yōu)點，在未來世界能源經(jīng)濟中氫所占的比重被認為可能會越來越大。氫能在電力領域可用于分布式發(fā)電、備用電源、家用熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)等，從而降低能源耗費、改善能源利用率；在交通運輸領域可為燃料電池汽車、重型工程機械、船舶行業(yè)提供原料。

通過DAE技術，炎熱、干旱的地區(qū)也能成為氫能源出口地。這類項目可能需要在支持基礎設施上進行大量資本投資，對于其他有水的地區(qū)而言可能不太劃算。

為加速全球能源變革進程，可再生能源制氫是堅持綠色低碳發(fā)展道路的必然選擇。隨著全球氫能產(chǎn)業(yè)鏈重要核心技術的日趨成熟與完善、成本不斷降低，氫能輸送管網(wǎng)和加氫站等全國性氫能基礎設施建設顯著提速，綠色制氫技術依靠綠色低碳為指導方針，緊扣碳達峰、碳中和主題，勢必會在未來氫能產(chǎn)業(yè)領域占據(jù)重要份額。

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參考資料：

[1]https://www.nature.com/articles/s41467-022-32652-y

[2]https://interestingengineering.com/science/green-hydrogen-from-thin-air

[3]李亮榮,彭建,付兵,黃玉林,姜慧,齊海霞.碳中和愿景下綠色制氫技術發(fā)展趨勢及應用前景分析[J].太陽能學報,2022,43(06):508-520.DOI:10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0183.

（來源：環(huán)球零碳）